第3章不同集成度智能传感器系统举例

第3章不同集成度智能传感器系统举例第一页，共243页。第3章

不同集成度智能传感器系统举例3.1

传感器集成化与智能化的概述3.2

集成化智能传感器系统的初级形式举例3.3

集成化智能传感器系统的中级形式举例3.4

集成化智能传感器系统的高级形式举例第二页，共243页。3.1

传感器集成化与智能化的概述3.1.1传感器的集成化3.1.2不同集成度智能传感器概述第三页，共243页。(1)把许多同样的单个传感器按一定规律阵列集成化,目的是为了对空间参数进行测量，如左图所示。例子：面阵CCD传感器，如右图所示。一、集成化的含义3.1.1传感器的集成化第四页，共243页。(2)传感器功能的集成化。混合式集成压力传感如图所示。3.1.1传感器的集成化第五页，共243页。二、集成化的优点3.1.1传感器的集成化①提高了传感器性能；②降低了成本；③提高了可靠性；④促使传感器多功能化，智能化。第六页，共243页。3.1.2不同集成度智能传感器概述传感器输入接口微处理器信息接口被测信号总线调理电路

集成传感器的基本框图如图所示。第七页，共243页。一、智能传感器的初级形式3.1.2不同集成度智能传感器概述

内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电路和信号调理电路，提高了经典传感器的精度和性能。缺少智能传感器的关键部件——微处理器，影响了其性能的进一步改善。第八页，共243页。3.1.2不同集成度智能传感器概述除了具有初级智能传感器的功能外，还具有自诊断、自校正、数据通讯接口等功能。结构上通常带有微处理器。该形式传感器系统功能大大增加，性能进一步提高，自适应性加强，事实上它本身已是一个基本完善的传感器系统，故称之为智能传感器系统的中级形式或自立形式。二、智能传感器系统的中级形式(自立形式)第九页，共243页。3.1.2不同集成度智能传感器概述除了具有中级智能传感器的功能外，还具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至思维能力等。该传感器系统可具备人类“五官”的能力，能够从复杂的背景信息中提取有用信息，进行智能化处理，从而成为真正意义上的智能传感器。三、智能传感器的高级形式第十页，共243页。

3.2.1单片集成式3.2.2初级形式的混合多片集成式3.2集成化智能传感器系统的初级形式举例第十一页，共243页。

1、结构硅盒式集成压力传感器剖面图如图所示。一、具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器3.2.1

单片集成式第十二页，共243页。

2、硅盒结构加工过程

3、硅盒结构的特点只需在硅芯片单面进行加工，其工艺与标准IC工艺完全兼容，从而克服了传统硅杯型压力传感器在制作工艺上与IC工艺不兼容的缺点，使压敏元件与信号调整电路的单片集成成为现实。3.2.1

单片集成式第十三页，共243页。

4、电路图整个集成压力传感器芯片面积为1.5mm2。其电路如下图所示。3.2.1

单片集成式

图中R1～R4组成的压阻全桥构成了力敏传感单元，每臂电阻阻值约为5kW，信号放大电路由三个CMOS运算放大器及电阻网络组成。第十四页，共243页。

A1、A2构成同相输入放大器，输入电阻很高，共模抑制比也很高。A3接成基本差动输入放大器形式，整个放大电路的差模放大倍数为3.2.1

单片集成式第十五页，共243页。

改变RW可以调整差模放大倍数Ad。该电路要求A3的外接电阻严格匹配，即R9＝R10、R7＝R8。因为A3放大的是A1、A2输出之差，电路的失调电压主要是由A3引起的，故降低A3的增益有益于减小输出温度漂移。3.2.1

单片集成式第十六页，共243页。二、摩托罗拉单片集成压力传感器MPX3100

MPX3100是摩托罗拉公司X型压力传感器，其量程为0～100kPa。按被测量可分为差压、表压和绝对压力三种形式，它集应变仪、温度补偿、标准和信号调理于同一芯片上，且利用了计算机控制的激光修正技术，因而具有精度高、补偿效果好、性能可靠、使用比较方便等特点。3.2.1

单片集成式第十七页，共243页。

1、摩托罗拉硅压力传感器的特点①摩托罗拉的专利技术是采用单个X型压敏电阻元件，而不是电桥结构。②该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜上，并采用计算机控制的激光修正技术和温度补偿技术，使得在非常宽的温度范围内压力传感器的精度都很高。③其模拟输出电压正比于输入压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。3.2.1

单片集成式第十八页，共243页。2、敏感元件结构X型压力传感器芯片俯视图如图所示。3.2.1

单片集成式第十九页，共243页。

1243＋Vs＋Uo－Uo3.2.1

单片集成式

3、X型敏感元件工作原理

MXP3100的敏感元件为单个X型的压敏电阻，共有四个引出头，即：电源、地、正输出及负输出，其符号如图所示。第二十页，共243页。它的工作原理是，当受到压力时原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生变化，使载流子的数量和载流子的迁移率发生变化，从而使电阻率发生变化，这就是半导体材料的压阻效应。单片硅压敏电阻产生随压力而变化的输出电压，从而使输出电压产生与所加压力成正比的变化。3.2.1

单片集成式第二十一页，共243页。

在数学上，压阻效应可以用一组电场分量Ei和电流密度分量ii及应力分量σij的关系式来描述。在晶轴坐标系下，这种关系式具有简单的式，即3.2.1

单片集成式第二十二页，共243页。3.2.1

单片集成式第二十三页，共243页。

对于P型硅，剪切压阻系数p44具有最大值。当i1＝i3＝0时，由3.2.1

单片集成式得第二十四页，共243页。当有剪切应力作用时，将会产生一个垂直于电源电流i2之方向的电场变化，于是将产生输出电压。3.2.1

单片集成式第二十五页，共243页。X型压力传感器的剖面图如图所示。3.2.1

单片集成式第二十六页，共243页。若用激光微加工方法在底层晶片上钻一个小孔，作为压力到达空腔的通道，则构成差压或表压传感器；如不在底层晶片上钻孔，腔内封闭的为基准真空，则构成绝对压力传感器。3.2.1

单片集成式第二十七页，共243页。这种X型压敏电阻结构的压力传感器与通常的惠斯登电桥结构压力传感器不同，它避免了惠斯登电桥的四只电阻不匹配而产生的误差，且简化了进行校准和温度补偿所需要的硬件线路。这是因为X型压敏元件失调误差仅仅由横向电压抽头(2、4脚)的对准度决定，这很容易在一次光刻工序中得到控制。

MPX3100内部线路图如下图所示。3.2.1

单片集成式第二十八页，共243页。R13R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12RGRSVCCUoU2U1U4Vs-Vs+∞++-OA4∞++-OA1∞-++OA2∞-++OA312U33.2.1

单片集成式第二十九页，共243页。RSVCC13423.2.1

单片集成式

4、温度补偿

1)满量程温漂补偿

X型压力传感器输出电压随温度升高而降低，典型的温度系数为－0.19%/℃。由于固定压力下传感器的输出与所加的电压成正比，所以补偿的方法是随温度升高而加大激励电压，如串联具有负温度系数的电阻RS。另一方面，传感器本身的电阻具有正温度系数，也有一定的补偿作用。第三十页，共243页。3.2.1

单片集成式实际应用中有一种简单情况，即在室温下，RS可采用零温度系数的电阻，一般按下式计算式中，RS——需要串联的电阻；

RX——25℃时X型传感器的电阻。设25℃时X型传感器电阻为494W，则理想的满量程补偿电阻为1767W。实践证明，这种方法可得到0.5%补偿精度。RSVCC1324第三十一页，共243页。

2)零位温漂补偿

在制造过程中，通过光刻工艺的控制，可使X型压力传感器的零位失调和漂移做得很小。通常在3V激励电压下，典型的零位失调电压为0～20mV，温度漂移为±15mV/℃。但在宽温度范围、精度要求较高的情况下，必须考虑对零位失调温漂的补偿。前面电路中，用OA1通过周围电阻网络可实现传感器的零位温漂补偿，OA1的加入也提高了输入阻抗。3.2.1

单片集成式第三十二页，共243页。R1R3R4R5RSU1U4OA1R2OA2U2U3+-+R6-++3.2.1

单片集成式

OA1及其周围电路如图所示。由于传感器的电阻具有正温度系数，因此图中U3将随温度上升而增加，U1也随之增大。由于传感器的零位温漂典型值为±15mV/℃，则需要计算选择R3的阻值。只要R3选择合适，通过OA1和OA2，U1随温度的漂移可在OA2输出端被抵消。第三十三页，共243页。3.2.1

单片集成式

R3的取值可按下式计算式中，DU1＝开关断开时最高温度下的U1－室温下的U1；

DU2＝开关断开时最高温度下的U2－室温下的U2。R1R3R4R5RSU1U4OA1R2OA2U2U3+-+R6-++第三十四页，共243页。

如果R1＝8

kW，R2＝1

kW，R5＝10

kW，DU1/DU2＝0.5，则由上式得R3＝4

112

W(取4.2

kW电阻)。这样，如果知道了DU1/DU2，可很快计算出应选择的R3阻值。3.2.1

单片集成式第三十五页，共243页。

3)信号调理和校准电路

MPX3100的零位输出典型值为0.5V，满量程输出电压典型值为2.5V，故应将其零位失调电压定在0.5V，为此加入精密电压基准OA3。3.2.1

单片集成式R13R7R8R9R10R11R12RGVCCUo∞-++OA3++-OA4R6U2∞-++OA2第三十六页，共243页。

OA3的电压基准由R7和R8的分压来决定，此电压基准加至OA4的信号输入端，用于校准整个系统的零位失调电压至0.5V。3.2.1

单片集成式R13R7R8R9R10R11R12RGVCCUo∞-++OA3++-OA4R6U2∞-++OA2第三十七页，共243页。R13R7R8R9R10R11R12RGVCCUo∞++-OA3++-OA4R6U2∞++-OA2

信号放大由OA2和OA4完成。OA2将差分输入转换为单端对地输出，并提高共模抑制比，也起阻抗转换作用。信号的放大主要由OA4完成。调整经激光修正的电阻RG，可将满量程输出校准到2.5V。3.2.1

单片集成式第三十八页，共243页。

硅集成压力传感器目前主要有两种形式：扩散硅压阻式和硅电容式。这两种形式的传感机理不同，相比之下，硅电容式的许多性能指标优于扩散硅压阻式。

①在敏感膜片尺寸和测量范围类同的条件下，硅电容式灵敏度高过扩散硅压阻式10倍以上，而功耗却要低两个数量级。三、带C/U转换电路的硅电容单片集成压力传感器3.2.1

单片集成式第三十九页，共243页。

②因扩散硅压阻式的压阻系数随温度变化，而硅电容式的传感机理则避开了压阻温度效应，故硅电容式压力传感器随温度的变化要小得多。

③硅电容式传感器输出的重复性和长期稳定性也明显优于扩散硅压阻式传感器。

④硅电容式的缺点之一是输出特性的非线性。3.2.1

单片集成式第四十页，共243页。单片集成的CMOS电容压力传感器电路框图如图所示。3.2.1

单片集成式信号调理C/U转换带隙电压基准＋－第四十一页，共243页。1、信号调理电路传感器的开关—电容调理电路如图所示。3.2.1

单片集成式第四十二页，共243页。电路最后的输出Uout与U2相等，因为U2与Uo之间是一个低通滤波器(LPF)，并未改变U2的值。3.2.1

单片集成式推导得第四十三页，共243页。假设将传感电容和参考电容视为平板电容器，则传感电容和参考电容分别为3.2.1

单片集成式式中，AS为传感电容器极板面积；AR为参考电容器极板面积；e为介电常数；X0为传感电容器和参考电容器极板间距；X(P)为传感电容器在压力作用下极板间距的减小量。第四十四页，共243页。

在没有压力时比值AR/AS被设计为1/2，则比值CR1/CS1也为1/2，可得3.2.1

单片集成式第四十五页，共243页。3.2.1

单片集成式带隙电压基准电路如图所示，图中的电阻链可实现温度补偿和校正。通过选择三—八译码器的控制端，可使其温度系数与灵敏度的温度系数等值反号。第四十六页，共243页。

2、传感器结构设计传感器的剖面结构简图如图所示，它的敏感元件是经微加工而成的方型膜片，膜片为带有一个中凸硬台的单岛型。膜片上下为两片硼酸玻璃，通过阳极键合工艺将膜片与硼酸玻璃键合为一体。3.2.1

单片集成式第四十七页，共243页。

两个传感电容器位于硅膜片的上方，而参考电容器则位于压力敏感区之外，不感受压力。通过将传感电容和参考电容各分为两部分，由金属化的玻璃表面进行连接，从而避免了在玻璃罩上连接电极。3.2.1

单片集成式第四十八页，共243页。

整个集成芯片除上述的传感单元及电路外，还包括一个时钟发生器和一个位于信号输出端的三阶低通滤波器，整个芯片尺寸为8.4×6.2mm。3.2.1

单片集成式第四十九页，共243页。四、具有频率或数字输出的单片集成传感器3.2.1

单片集成式目前，集成传感器产生频率或数字输出的方法如下①硅微结构谐振式；②声表面波式(SAW)；③电子振荡式；④触发器式。第五十页，共243页。3.2.1

单片集成式

1、硅微结构谐振式将硅微机械加工技术和谐振传感器技术结合可制作多种硅微结构谐振式传感器，其特点如下①微型化；②功耗低；③响应快；④易集成化。激励方式有热激励、光激励、电磁激励等。第五十一页，共243页。

1)电阻热激励(1)原理方形硅膜片如图所示。3.2.1

单片集成式第五十二页，共243页。

硅膜片上扩散电阻的位置如图所示。R为热激励电阻，R1～R4以惠斯登电桥形式构成检测源。3.2.1

单片集成式R2RR1R4R3U1234第五十三页，共243页。产生热量3.2.1

单片集成式在热激励电阻上加载电压第五十四页，共243页。①恒定分量将使膜片产生恒定的温度差分布场DTav，这时膜片的正应变与应力的关系为3.2.1

单片集成式第五十五页，共243页。式中，e1、e2为正应变；s1、s２为正应力；E、m分别为材料的弹性模量和泊松比，a为线膨胀系数。

上式表明：DTav将引起初始应力s10和s20(因它们与振动位移无关)，且3.2.1

单片集成式即第五十六页，共243页。

在膜片上加上均匀压力后，它将影响膜片谐振子的谐振频率，使谐振频率有确定的变化。这个影响是确定的，取决于R在膜片上的位置、恒定分量PS的大小、膜片自身的热惯性及边界结构等。3.2.1

单片集成式第五十七页，共243页。②基频分量使膜片产生一个交变的温度应力，当其频率w和膜片的自激频率一致时，膜片将发生谐振。通过R1～R4组成的电桥检测到含coswt的输出信号，经处理、放大，在满足一定幅值、相位条件下，将它反馈到R上，便可以构成微结构谐振式传感器的闭环自激系统，由它实现“电—热—机”的转换。3.2.1

单片集成式第五十八页，共243页。③二倍频分量是热激励特有的干扰信号，可适当选择交直流分量，使udc>>uac。3.2.1

单片集成式第五十九页，共243页。由R1～R4及R构成的自激闭环系统如图所示。谐振子拾振激振差分放大器带通滤波器移相器3.2.1

单片集成式第六十页，共243页。电桥检测电路如图所示。3.2.1

单片集成式第六十一页，共243页。式中，u0为电桥的恒压源电压。由上式可知，为获得理想输出，应使R1、R3对膜片振动的敏感程度一致，R2、R4对膜片振动的敏感程度一致，同时R1、R3的敏感程度应与R2、R4的敏感程度有显著的差异。为此，根据热激励电阻的位置及膜片的振动特性，可将R1～R4按下图所示位置设置。3.2.1

单片集成式其输出为第六十二页，共243页。3.2.1

单片集成式R2RR1R4R3U1234第六十三页，共243页。

可以假定4个电阻的初值R10=R20=R30=R40=R0。由压阻特性，当膜片振动时代入3.2.1

单片集成式第六十四页，共243页。Du正比于电桥直流电压u0，u0也产生热量，将引起膜片的恒定温度差分布场，前面给出的判据没有考虑电桥所加电压u0，在实际中应综合考虑。得3.2.1

单片集成式第六十五页，共243页。

2)光激励(1)光激励的优点。此类传感器通常采用光纤作为激励光和检测光信号的传光光路，因此实际上也是一种光纤传感器，它也具有抗电磁干扰、防爆、便于遥测遥控等光纤传感器固有的优点。带尾纤的全光型微机械谐振式传感器如下图所示。3.2.1

单片集成式第六十六页，共243页。它采用的是悬臂梁结构形式。悬臂梁尺寸约为：长2500mm，宽20mm。在悬臂梁上制作了脊型波导，波导在悬臂梁的悬空端中断，中断间距为30～40mm。3.2.1

单片集成式第六十七页，共243页。

悬臂梁的两端各有一条V型槽，输入、输出光纤就埋在V型槽中，光纤的中心正对着脊型波导的端面，激励光纤由带孔的静电封接玻璃固定在脊型波导的上方。3.2.1

单片集成式第六十八页，共243页。当激励光信号为零时，悬臂梁处于平衡位置，输入、输出波导在同一水平面上，由输入端进入光波导的检测光束可以在输出端由光探测器接收，此时探测到的光信号应为最大，且为恒值。当加上光激励信号，且激励信号频率w与悬臂梁的谐振频率相等时，悬臂梁会出现谐振现象，在输出端由光探测器检测到的光信号是频率为w的交变信号，将此输出信号经过放大、移相等处理正反馈到光激励信号上，可维持悬臂梁的闭环自激谐振。3.2.1

单片集成式第六十九页，共243页。3.2.1

单片集成式(2)光激励微机械结构谐振子的基本形式。谐振子的基本形式有：①悬臂式，如左图所示；②桥式，如右图所示；③薄膜式(圆膜、方膜等)。第七十页，共243页。3.2.1

单片集成式(3)光激励方式①调制光激励。这种形式是将激励光的强度用正弦信号或方波信号进行调制，当激励光调制在硅谐振子谐振频率上时，硅谐振子将发生谐振，输出频率信号。从目前报道的文献看，这是一种采用最多的光激励方法。第七十一页，共243页。3.2.1

单片集成式②光脉冲激励。这种形式是采用一定强度的光脉冲对硅谐振子进行激励。由于光脉冲的频谱覆盖了谐振子的频率范围，故一定强度的光脉冲也能使硅谐振子发生谐振。这种激励方式由于不需要对激励光进行调制，从而简化了传感器系统的设计。第七十二页，共243页。3.2.1

单片集成式③噪声调制光激励。这种形式是将激励光由一定带宽的噪声源调制后对硅谐振子进行激励。由于硅谐振子的谐振频率包含在噪声源的频带中，因此经噪声源调制的激励光同样可使硅谐振子发生谐振。这种噪声光激励方法尤其适用于对多谐振传感器网络的激励，不必再为每一谐振传感器单独提供一个激励光源，从而大大简化了系统的设计。第七十三页，共243页。④自谐振激励。自谐振激励是一种最有实用前景的激励方式，它采用非调制的单色光源对硅谐振子进行激励，使硅谐振子发生谐振。3.2.1

单片集成式第七十四页，共243页。(4)光信号检测方法硅微机械谐振子的光信号检测方法分为如下两种①光强度调制检测方法；②光干涉调制检测方法。3.2.1

单片集成式第七十五页，共243页。这两种方法与经典的光纤传感器的光信号检测方法基本相同。光强度调制检测方法与光干涉调制方法相比，后者具有更高的精度和灵敏度。由于硅微机械谐振子的振幅一般为几十到几百nm，因此使用更多的是后者。但当硅微谐振子的谐振振幅比较大时，可优先考虑采用前者以简化系统结构并提高可靠性。3.2.1

单片集成式第七十六页，共243页。(5)起振机理一般认为主要是光与硅晶体之间相互作用的光压、光热效应和光生电致张力效应的结果。3.2.1

单片集成式第七十七页，共243页。3.2.1

单片集成式

3)电磁激励如图所示为日本横河电机株式会社研制的一种硅微结构谐振式压力传感器。第七十八页，共243页。

其核心部分由感受压力的硅膜片(4×4mm)和在硅膜表面上制作的两个H型两端固定的硅谐振梁(1200×12×5mm)构成，其中一个硅梁制作在硅膜片中央，另一个则制作在硅膜边缘部位，如图所示。3.2.1

单片集成式第七十九页，共243页。

两个硅梁被封闭在真空腔内，振动时不受空气阻尼的影响，Q值高，又不与被测介质接触。

压力传感器结构如图所示。3.2.1

单片集成式第八十页，共243页。3.2.1

单片集成式电磁激励方式如图所示。永久磁铁提供磁场，通过激励线圈A的交变电流激发硅梁发生谐振，并由拾振线圈B感应硅梁的谐振，感应信号送入自动增益放大器，一方面输出频率，另一方面将交变电流信号反馈给激励线圈A，形成一个闭环的正反馈自激系统。第八十一页，共243页。当被测压力通入硅膜片内腔时，膜片产生形变。中心处和边缘处的应力方向相反，中心处受拉，边缘处受压，使两个硅谐振梁感受不同的应力作用，导致中心处硅谐振梁的频率增加，边缘处的频率则下降。3.2.1

单片集成式第八十二页，共243页。谐振频率的变化受被测压力调制，两个硅谐振梁的频率差即对应不同的压力值，如图所示。图中虚线与对应实线所对应的温差为Dt

℃，最高精度可达0.01%FS。3.2.1

单片集成式第八十三页，共243页。用测量频率差的方法检测相应压力，其优点是可以抑制环境温度等外界因素造成的误差(相加误差)。理想情况下，当环境温度变化时，两个谐振梁的频率和幅值的变化应是相同的，所以计量频率差时该变化量相互抵消。3.2.1

单片集成式第八十四页，共243页。谐振式传感器还可以用来测量许多其他物理量。例如，微悬臂梁谐振式温度传感器。环境温度变化时，悬臂梁谐振器材料的杨氏模量和密度、梁的长度和厚度等发生变化，因而谐振频率变化。对于300×50×7mm的硅/二氧化硅双层微悬臂梁谐振器，其谐振频率的温度灵敏度为1.5Hz/℃。3.2.1

单片集成式第八十五页，共243页。2、声表面波(SAW)式声表面波传感器具有下述特点(1)精度高、灵敏度高；(2)与微处理器相连的接口简单；(3)便于大批量生产；(4)体积小、重量轻、功耗低；(5)结构工艺性好。

3.2.1

单片集成式第八十六页，共243页。

声表面波(SAW)谐振传感器不是基于弹性谐振元件的固有频率，而是基于超声表面波振荡器的频率随着被测物理量的变化而改变实现对被测量检测的。3.2.1

单片集成式第八十七页，共243页。

例如声表面波力传感器，当基片受到外力作用时，外力在声表面波传播方向上产生应变，引起基片长度变化，由此引起声表面波传播速度发生变化，使得声表面波振荡器的频率随着所加外力而改变。适当地设计声表面波振荡器，使其对被测力的微扰敏感，通过对频率的测量，即可实现对被测力的测量。3.2.1

单片集成式第八十八页，共243页。3.2.1

单片集成式声表面波(SAW)传感器的核心部分是声表面波振荡器，它由声表面波谐振器(SAWR)、放大器及匹配网络组成。而在甚高频和超高频段能实现高Q值的唯一器件就是SAWR。SAWR由叉指换能器(IDT)及金属栅条反射器组成，如图所示。第八十九页，共243页。

IDT的基本结构形式如图所示，由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成。它的形状如同交叉平放的两排手指，故称为叉指电极。3.2.1

单片集成式第九十页，共243页。

电极宽度a和间距b皆相等的IDT称均匀IDT(或非色散IDT)，叉指周期T＝2a＋2b。两相邻电极构成一电极对，其相互重叠的长度为有效指长，也称为换能器的孔径，记为W。若换能器的各电极对重叠长度相等，则称等孔径(等指长)换能器。3.2.1

单片集成式第九十一页，共243页。

IDT是利用压电材料的逆压电与正压电效应来激励或接收SAW的，它既可用作发射换能器，用来激励SAW，又可用作接收换能器，用来接收SAW。3.2.1

单片集成式第九十二页，共243页。

工作原理如图所示。当发射器的两电极上加有交变电压时，因逆压电效应产生相同频率的声表面波，沿压电基片的表面传播，直至接收器，并因正压电效应而转换为相同频率的电信号。3.2.1

单片集成式第九十三页，共243页。3.2.1

单片集成式

由SAWR、放大器及移相器组成的振荡器结构原理如图所示。SAWR输出的信号经放大、移相，在满足一定的放大增益及相位条件下，正反馈到SAWR的输入端，可使振荡器起振，起振后的振荡频率会随温度、压电基底材料的变形等因素而变化。第九十四页，共243页。如图所示为测量压力的SAW传感器。3.2.1

单片集成式第九十五页，共243页。3.2.1

单片集成式其基底采用一圆形石英薄膜片，并在其上制备两个完全相同的声表面波谐振器，以便进行有效的温度补偿，并提高传感器的抗干扰能力。两个声表面波谐振器分别连接到放大器的反馈回路中，构成具有一定输出频率的振荡器。两路输出的频率经混频、低通滤波和放大，得到一个与外加压力有确定对应关系的差频信号输出。第九十六页，共243页。3.2.1

单片集成式该结构采用了差动结构进行温度补偿。由于敏感膜片上的两个谐振器相距很近，环境温度变化对两个振荡器的影响所引起的频率偏移近似相等，经混频器以后，可以减小温度变化引起的误差。但是，被测量对两个谐振器谐振频率的影响是不同的。第九十七页，共243页。起振条件式中，GA——放大器增益；

LS(

f)——谐振器的插入损耗；

jR——谐振器的相移；

jE——放大器的相移；

n——正整数。3.2.1

单片集成式第九十八页，共243页。谐振频率3.2.1

单片集成式式中，u——声波在压电基底表面内的传播速度；

E——材料的弹性模量；

r——材料的密度；

l——声波的波长。被测压力不仅能够使叉指电极的中心距发生变化(导致l变化)，还能够使E和r发生变化。第九十九页，共243页。3.2.1

单片集成式

3、电容控制的方波振荡器式如图所示为一个电容控制的方波振荡器式压力传感器。它包括两个电流源、一个切换开关、压力传感器Cx和一个斯密特触发器。第一百页，共243页。3.2.1

单片集成式

其工作过程为：首先切换开关闭合在1点，对CX充电。当UC达到施密特触发器的上限阈值时，触发器翻转，切换开关也跟着闭合到2点，对CX放电。当UC降至下限阈值时，触发器再次翻转，重复以上过程。第一百零一页，共243页。3.2.1

单片集成式波形图如图所示。方波频率为式中，UH为施密特触发器的上、下阈值之差。第一百零二页，共243页。3.2.1

单片集成式为解决各种干扰因素如温度漂移、时间漂移、各种杂散电容等的影响，引进参考电容Cr，如图所示。Cr同样感受各种干扰因素的影响，但不受被测量的影响。测量输出频率fX与fr之差可以消除干扰的影响。第一百零三页，共243页。3.2.1

单片集成式

4、环形振荡器式压力传感器

环形振荡器最基本的形式是由奇数个首尾相连成闭环的反相器组成，如图所示。输出频率与每个门的平均延迟时间及门的数目成反比。第一百零四页，共243页。环形振荡器式压力传感器的工作机理：将环形振荡器集成在硅膜片上，当待测压力作用在膜片上时，膜片内产生机械应力，由于应力的压阻效应，环形振荡器中场效应管的载流子迁移率发生变化，从而使它的漏极电流改变，导致环形振荡器的反相门延迟时间发生变化，最终使输出频率为待测压力的函数。3.2.1

单片集成式第一百零五页，共243页。

1)环形振荡器由7个双输入的或非门组成。在273K的温度及5V供电电压下，频率范围20～30MHz。

2)硅膜片硅压力传感器的单岛型方形硅膜片的俯视及剖面图如下图所示。3.2.1

单片集成式第一百零六页，共243页。

3.2.1

单片集成式两个环形振荡器集成在<100>晶向膜片上，RO1在单岛的边缘，RO2在靠近框架的膜片边缘，两者受到的应力方向相反。第一百零七页，共243页。

3)压力灵敏度

环形振荡器频率相对变化与压差的关系如图所示。RO2具有负的压力灵敏度，RO1具有正的压力灵敏度，且都具有一定的非线性。3.2.1

单片集成式第一百零八页，共243页。

4)信号处理(1)频率比(f)。消除温度和电源电压的影响(共模干扰)，还可以提高灵敏度。(2)频率比与频率比倒数的差(f－1/f)。新信号形式的优点如下3.2.1

单片集成式第一百零九页，共243页。①非线性比f大大降低；如果零压力频率比等于1，非线性几乎为0；②灵敏度为f的2倍，为单个环形振荡器的4倍。③如果零压力频率比等于1，零位输出几乎为0。3.2.1

单片集成式第一百一十页，共243页。3.2.1

单片集成式

5、具有数字输出的触发器型集成压力传感器触发器型集成压力传感器是一类新型半导体集成传感器。它具有很高的灵敏度和较宽的测量范围，比常规扩散硅压力传感器要提高一个数量级。传感器的制作采用集成电路工艺和微机械加工技术，具有广阔的应用前景。第一百一十一页，共243页。(1)电子触发器电子触发器是非稳态系统，它对任何不平衡都非常敏感。当触发器不对称时，输出的“0”和“1”的分布也不对称。利用这种现象，在触发器中配合非对称敏感元件，可构成触发器型传感器。3.2.1

单片集成式第一百一十二页，共243页。3.2.1

单片集成式

MOS触发器型压力传感器的基本结构如图所示。R1和R2是一对力敏电阻，它们与两个MOS晶体管T1和T2构成MOS双稳态触发器。第一百一十三页，共243页。3.2.1

单片集成式

当触发器接通电源时，MOS触发器有两种稳定状态：①T2管导通，T1管截止，此时1端输出为“1”，2端输出为“0”，称为A态。②T2管截止，T1管导通，此时1端输出为“0”，2端输出为“1”，称为B态。第一百一十四页，共243页。3.2.1

单片集成式

电路从非稳态进入哪一种稳态，由电阻R1、R2和MOS管各自的开启电压VT等因素决定。假设传感器不加压力时，R1＝R2，T1、T2完全对称。当传感器受到压力作用时，R1和R2中一个电阻值增大，另一个电阻值减小，R1≠R2。第一百一十五页，共243页。3.2.1

单片集成式如果加到E端的电源是一连串的脉冲，则R1与R2之间的微小变化将使某个输出端为高电平的几率增大。触发器型压力传感器就是利用MOS触发器在非稳态时对外界信号反应极其敏感这一特性来测量微小压力的变化的。第一百一十六页，共243页。

“1”的几率与应力及电阻相对变化的关系曲线如图所示。3.2.1

单片集成式第一百一十七页，共243页。3.2.1

单片集成式优点：输出是一系列的脉冲，很容易计数，而且它的结构简单、灵敏度高以及易于集成，非常适合于智能传感器系统。另外，这种传感器可使用几乎所有类型的传感元件，像光电器件、热电偶、霍尔器件以及离子敏场效应管(ISFET)等都能用在触发器的结构中。第一百一十八页，共243页。3.2.1

单片集成式缺点：采用非对称传感器信号和随机噪声信号相比较，来决定触发器的输出概率。由于噪声的平均功率小，限制了量程。解决办法：不采用噪声信号作为比较信号，而采用人为设计好的三角波或锯齿波作为比较信号。这种方法降低了灵敏度，却扩大了量程，而且灵敏度可调。第一百一十九页，共243页。3.2.1

单片集成式

6、I/F转换式压力传感器日本丰田发展和研究中心设计的I/F转换式压力传感器如下图所示。第一百二十页，共243页。图中，电桥采用由V1和V2组成的恒流源供电。放大器A1对电桥输出信号进行差动放大。由放大器A2、定时电容Ct和电阻Rt组成I/F转换器。3.2.1

单片集成式第一百二十一页，共243页。一、具有温度补偿功能的压阻全桥传感器

1、压阻全桥传感器的温度补偿方法

1)零位失调及零位温度漂移的补偿在压阻全桥中，当两相对桥臂电阻之积相等时，电桥平衡，输出为零，即没有零位失调。实际上，由于制作工艺的原因，四个电阻之间总存在误差。在电源电压为3V的条件下，当电阻R1＝R2＝R3＝R，R4＝0.99R，就要产生7.5mV的零位输出。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百二十二页，共243页。(1)零位失调的补偿①当四个桥臂电阻已知时，可在对边桥臂电阻乘积较小的任一臂上串联一个小电阻RS，或在对边桥臂电阻乘积较大的任一臂上并联一个大电阻RP。假设R1R3－R2R4＜0，补偿方法如下3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百二十三页，共243页。a.串联补偿。如图所示，平衡条件为3.2.2

初级形式的混合多片集成式解得第一百二十四页，共243页。b.并联补偿。如图所示，平衡条件为3.2.2

初级形式的混合多片集成式解得第一百二十五页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

若R1R3－R2R4＞0，补偿方法如图所示。第一百二十六页，共243页。②当四个桥臂电阻未知，而零位失调电压已知时，可根据失调电压的正负，在适当桥臂上串联一个RS。在此种情况下，当四个桥臂电阻不相等时，采用恒压源供电时电桥的输出为3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百二十七页，共243页。求上式的全微分，有3.2.2

初级形式的混合多片集成式结果为第一百二十八页，共243页。上式整理后得式中，DUo为零位失调；U为恒压源电压；R0为桥臂电阻均值，其值为(R1＋R3＋R2＋R4)/4；DR1＝R1－R0，DR2＝R2－R0，DR3＝R3－R0，DR4＝R4－R0；DR＝(DR1＋DR3)－(DR2＋DR4)。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百二十九页，共243页。

当DR≠0时，一定存在零位失调电压。若DUo＞0，RS串联在R2或R4桥臂上，若DUo＜0，RS串联在R1或R3桥臂上。补偿电阻RS的表达式为3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百三十页，共243页。(2)零位温漂温度补偿利用上述方法调零后，一旦温度变化，若四个电阻的温度系数不一致，将会出现零位温漂，为此采用串并联的方法，如图所示。RSR4R2R3R1Uo+-URP3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百三十一页，共243页。图中四个桥臂电阻R1～R4有正温度系数，选择RS、RP的温度系数近似为零。适当选择RS、RP的数值，就可使温度变化时基本不发生零点漂移，从而达到零点温度漂移补偿的目的。3.2.2

初级形式的混合多片集成式RSR4R2R3R1Uo+-URP第一百三十二页，共243页。

设R1、R2、R3、R4的初始电阻值分别为R10、R20、R30、R40，温度系数分别为a1、a2、a3、a4。若不加补偿电阻，为了在Dt范围内桥路都能平衡，则应有3.2.2

初级形式的混合多片集成式将代入上式得第一百三十三页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式将上式展开得忽略高阶小量，得第一百三十四页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式由上式显然可见，在Dt温度变化范围内桥路平衡条件有两个，即式(3-31)是忽略高阶项条件下，桥臂电阻温度系数的制约条件；式(3-30)是对桥臂电阻初始值的要求。但是四个桥臂电阻制造好后很难满足上面要求。第一百三十五页，共243页。

为此，加入补偿电阻RS和RP。在R1臂上串联小电阻RS，则串联后桥臂电阻为即串联RS后，桥臂的初始等效电阻变为3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百三十六页，共243页。串联RS后等效电阻温度系数为通常RS<<R10，故串联电阻本身温度系数aS的影响可忽略，总的等效温度系数减小，a'1＜a1。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百三十七页，共243页。

桥臂R2并联大电阻RP后，桥臂等效电阻为R'2(t)

3.2.2

初级形式的混合多片集成式忽略分子中的高阶项，将分母按照级数展开，得第一百三十八页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式故并联RP后桥臂电阻为第一百三十九页，共243页。等效电阻温度系数变为即电阻温度系数比并联RP前减小了，且当RP>>R20时并联电阻RP的温度系数aP的影响可忽略不计。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百四十页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式桥路平衡须满足即第一百四十一页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式令上面方程组变为由方程组的上式解得第一百四十二页，共243页。结论：先由初始电阻和各电阻的温度系数计算K，再计算RS和RP，串、并入桥臂，电桥在Dt范围内，零位输出近似为零。代入方程组的下式得3.2.2

初级形式的混合多片集成式解得第一百四十三页，共243页。

2)灵敏度温度漂移的补偿

灵敏度温漂产生的原因如下①压力灵敏度与压阻系数成比例关系，而压阻系数是温度的函数。②制作力敏电阻条时采用在N型硅膜片中扩散硼，这样两种区域的热膨胀系数存在差异，便产生附加的应力从而影响灵敏度。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百四十四页，共243页。③在膜片表面的SiO2层中有着与衬底及力敏电阻条不同的热膨胀系数，从而也产生热应力，生产实际中当力敏电阻条的掺杂不合适时，也会造成较大的灵敏度温漂。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百四十五页，共243页。其中，p——压阻系数；

E——杨氏模量；

e——应变；

G＝pE——材料的G因子，具有负温度系数。3.2.2

初级形式的混合多片集成式由半导体的压阻效应可知，在单向外力作用下引起半导体材料沿受力方向的电阻率或电阻的变化为第一百四十六页，共243页。由恒压源U供电时的全桥输出表达式得由恒流源I0供电时的全桥输出表达式得3.2.2

初级形式的混合多片集成式由这两个式子可设计出补偿方法。第一百四十七页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式拼凑补偿法的实现方式很多，下面介绍几种常用的实现方式。(1)选择合适的掺杂浓度。对于恒流源供电的全桥，控制合适的掺杂浓度，使G因子的温度系数b与桥臂电阻R的温度系数aR大小相等，符号相反，即aR＝－b，可实现温度补偿。因为第一百四十八页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

压阻元件的电阻温度系数aR是掺杂浓度的函数，但恒为正值，而硅压阻系数的温度系数b恒为负值，随掺杂浓度增大而绝对值减小，如下图所示。第一百四十九页，共243页。图中单调下降的曲线是p44的温度系数的绝对值随P型电阻表面掺杂浓度变化的曲线，而先下降后上升的曲线是P型扩散电阻的温度系数随掺杂浓度变化的线。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百五十页，共243页。不难看出，它们在掺杂浓度约为3×1018/cm3和2×1020/cm3处有两个相交点，在此掺杂浓度下，它们等值反号。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百五十一页，共243页。

满足完全补偿条件aR＋b＝0的掺杂浓度有两个数值。然而，在较低掺杂浓度时，压阻系数p44数值较大，如图所示，电桥可以有较高的压力灵敏度。为此，一般选掺杂浓度为3×1018/cm3，以实现灵敏度漂移内补偿的目的。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百五十二页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式采用上述内补偿措施的压阻式压力传感器，在恒流源供电的情况下，可能还存在灵敏度温漂。因此有的厂家还提供正温度系数的恒流源以便进一步进行补偿。但是，究竟用正温度系数的恒流源还是负温度系数的恒流源，与aR＋b的符号有关。第一百五十三页，共243页。(2)正温度系数恒压源补偿法。又分以下几种

①热敏电阻网络实现的正温度系数恒压源补偿电路。恒压源供电时，G具有负温度系数，若不进行补偿，T↑，灵敏度↓。因3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百五十四页，共243页。

为此，可采用如图所示的热敏电阻网络补偿电路。RT具有负的温度系数，R0是为了改善线性而加的，其温度系数可以忽略。现在，T↑，RT↓，U'↑，灵敏度可以不变。3.2.2

初级形式的混合多片集成式UpR0R1R2R3R4RTU'第一百五十五页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

②三极管实现的正温度系数恒压源补偿电路。如图所示，R5、R6和晶体管构成温度补偿电路。当晶体管基极电流比R5、R6中的电流小得多的时候，有R1R2R3R4UpR5R6UcUBcbe第一百五十六页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式R1R2R3R4UpR5R6UcUBcbe则压阻全桥的实际供电电压为第一百五十七页，共243页。

电阻R5和R6是利用同样的工艺在同一芯片上形成的，具有相同的温度系数，所以R5/R6不随温度变化。当温度升高时，晶体管的发射结压降Ube减小，从而使桥路供电电压UB提高，最终使得电桥输出不变。这样就补偿了电桥压力灵敏度随温度升高而下降的缺点。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百五十八页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

下面进一步推导最佳温度补偿的n＝R5/R6表达式。已知电桥压敏电阻的相对变化为设代入第一百五十九页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式得当UBD不随温度变化时，即可达到最佳温度补偿的目的，故令

第一百六十页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式由于a、b很小，略去高阶项得式中Ube0一般取0.7V，大约温度升高1℃，Ube下降2.4mV，故整理上式，得第一百六十一页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式一般b取值为－3×10－3

/℃，因此第一百六十二页，共243页。

③二极管补偿法。在压力传感器中，使力敏电桥串联若干个二极管，主要是利用二极管在正向使用时相当于负温度系数的电阻特性来进行补偿，如图所示。此时电桥供电电压为3.2.2

初级形式的混合多片集成式式中，n为二极管个数，UD为二极管正向压降。类似于前面推导，选择合适的n可实现温度补偿。第一百六十三页，共243页。

3)温度漂移的三点补偿法所谓三点补偿法，是指根据传感器工作的环境温度，确定三个温度点，在这三个温度上对传感器的零点迁移、零点温漂和灵敏度温漂进行补偿。由于温度漂移的连续性，这个方法可在整个温度变化范围内满足补偿要求。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百六十四页，共243页。三点补偿法的主要特点是，可同时完成对零位调整、零位温漂和灵敏度温漂的补偿。

当然，理想的温度补偿应使零点与灵敏度均不受温度的影响，这实际上是很难实现的。从某种意义上讲，各种补偿方法都只能尽量接近这些要求，不可能做到100%的补偿。三点补偿法是实践中常使用的方法之一。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百六十五页，共243页。

4)温度漂移的双桥补偿法热敏电阻或热敏电阻网络补偿具有如下缺点①补偿元件必须和力敏元件处于同一温度场；②增加了传感器的尺寸。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百六十六页，共243页。双桥补偿法：将力敏电阻全桥作为一个采温元件，构成感温电桥的一个桥臂电阻，把测压电桥和感温电桥的输出通过各自的放大器作比例放大，然后再通过模拟运算器相加或相减，可对零点温度漂移进行补偿，灵敏度温度补偿通过恒流源供电解决。双桥补偿电路如下图所示。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百六十七页，共243页。

图中，R21、R22、R24是外接电阻，也可以制作在与四个力敏电阻同一芯片的非受力区。3.2.2

初级形式的混合多片集成式R12R11R13R14R24R22R21IIA1

IA2

IA3RRRRRU0UPUt－∞＋∞＋∞＋－－第一百六十八页，共243页。

测温电桥由R22＝R24＝200W、R21(可调)≈Rb四个电阻组成。3.2.2

初级形式的混合多片集成式R24R22R21

IA2RUtRb＋∞＋－第一百六十九页，共243页。

该压力传感器未作温度补偿时测压电桥的零位温度系数为－1×10－3

/℃。补偿后在0～40℃间总的零位温漂约1×10－4/℃，补偿效果显著。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百七十页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式另一单岛双桥结构压力传感器的芯片剖面图及正面图如图所示，其双桥制作在同一芯片的不同厚度膜片上，可以大大节省芯片的面积。桥1的四个电阻Ri在薄膜区，灵敏度高；桥2的四个电阻ri在斜坡区，灵敏度低；它们受到的压力强度和环境温度是等同的。第一百七十一页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

对该结构进行应力分析表明，岛两侧的应力分布是对称的，而且薄膜区两侧逐渐增厚的厚膜区也存在着较大的应力作用，如图所示。因此，通过适当的设计，可使在应力作用下电阻的变化量满足第一百七十二页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

该传感器的双桥均采用恒压源供电，如图所示。每个桥的输出均为压力P和温度t的函数。在压力响应的线性范围内，有第一百七十三页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式式中，k1(t)和k2(t)为两个敏感电桥在温度为t时压力响应曲线的斜率；P为外加压力；b1(t)和b2(t)为双桥在温度为t时的零位输出值。

由此可得k不随温度变化，可在室温下测得。第一百七十四页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

若双桥的零位随温度变化的关系已知，则只需在传感器工作过程中分别测出双桥的输出值Uo1和Uo2，就可由上式解得温度，进而由前面的式子求出待测压力值。整个求解过程可由计算机通用程序完成，如图所示。第一百七十五页，共243页。

2、一种带有温度补偿功能的混合集成压力传感器单片集成式容易实现微型化和批量生产。不足的是敏感元件的零位时漂、温漂以及灵敏度温漂是随机的，难以准确补偿。混合集成式虽然具有尺寸大、不易形成批量生产和微型化等缺点，但可通过灵活的补偿方法获得较高的精度和温度稳定性。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百七十六页，共243页。

一种带有温度补偿功能的混合集成压力传感器电路如图所示。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百七十七页，共243页。

1)压力敏感元件零位温度系数＞1%FS/℃；灵敏度温度系数＞0.5%FS/℃。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百七十八页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

2)零位温漂补偿电路

采用在某一桥臂上并联电阻Rp的方法进行零位温漂补偿，如图所示。第一百七十九页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

3)灵敏度温漂补偿电路采用晶体管旁路电阻形式的补偿电路，如图所示。第一百八十页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

4)信号放大电路第一百八十一页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

5)综合补偿

采用综合补偿后，压力传感器的零位温漂系数可很容易地从1%FS/℃降到0.1%FS/℃，灵敏度温漂系数可很容易地从0.5%FS/℃降到0.04%FS/℃，输出信号可从10～20mV放大到1～2V。第一百八十二页，共243页。二、一种带有信号调理电路的混合集成压力传感器3.2.2

初级形式的混合多片集成式其电路如图所示。第一百八十三页，共243页。

3、温度补偿电路电路中采取恒压源给电桥供电，电压基准由带有带隙基准的齐纳稳压器提供，其中带隙基准保证了电源电压具有较低的温度漂移。3.2.2

初级形式的混合多片集成式第一百八十四页，共243页。3.2.2

初级形式的混合多片集成式

传感器的灵敏度温漂补偿采用晶体管旁路电阻形式。在桥路上下使用对称形式的灵敏度温漂补偿，是为了有利于后续放大电路的共模抑制性能。

为了补偿传感器的零位温漂，电路中使用了一个可调的多二极管温度传感器。第一百八十五页，共243页。3.3集成化智能传感器系统的中级形式举例3.3.1美国霍尼韦尔公司ST—3000智能变送器3.3.2具有微处理器的单片集成压力传感器第一百八十六页，共243页。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器

美国霍尼韦尔公司于1983年率先推出了智能化的压力变送器ST—3000，其特点如下

①其敏感元件是在同一块硅片上(3.3×4.4mm)，用离子注入等IC技术，配置差压、静压和温度三种传感元件，有效地解决了静压、差压以及温度之间交叉灵敏度对测量的影响问题，使之具有高精度、高稳定性等特点。第一百八十七页，共243页。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器

②ST—3000变送器的内部除传感器调理电路外，还带有微处理器、存储器以及I/O接口等，具有双向通信能力和完善的自诊断功能。

③变送器的输出有两种形式，一种为标准的4～20mA的模拟信号输出；一种为数字信号输出。第一百八十八页，共243页。ST—3000系列智能变送器的照片如图所示。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百八十九页，共243页。

ST—3000智能变送器的结构框图如图所示。它由两部分组成，一部分为传感芯片及调理电路；另一部分为微处理器及存储器。一、ST—3000智能变送器的结构及工作原理3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十页，共243页。

整个变送器的测压原理为：待测压力首先作用在传感芯片的硅膜片上，引起传感器电阻值的相应变化，此阻值的变化由形成于传感器芯片上的惠斯登电桥检出，桥路输出信号经调理电路进行调理，并由A/D转换器转换成数字信号，送入微处理器。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十一页，共243页。

与此同时，在此传感芯片上形成的两个辅助传感器(温度传感器和静压传感器)检测出表体温度和过程静压。辅助传感器的输出也被转换成数字信号并送至微处理器。在微处理器内，来自三个传感器的数字信号进行运算处理，转换成一个对应的4～20mA的模拟输出信号或数字输出信号。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十二页，共243页。

变送器的传感芯片由差压(DP)、静压(P)和温度(T)三个传感器组成。其中，差压传感器和静压传感器均接成惠斯登电桥的形式。传感芯片的电路如图所示。在差压、静压和温度这三个参数的共同作用下，每个传感器的输出都是三个参数的函数。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十三页，共243页。设UDP、UP、UT分别表示三个传感器的输出，即有由以上三式可解出待测压力上式表明，要准确地测量压差，必须考虑静压和温度的影响。以上由三个传感器信号计算待测压力的过程，是在微处理器中通过软件程序进行的。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十四页，共243页。在ST—3000变送器的制作过程中，对每一台变送器的待测压力特征数据、环境温度特征数据以及静压特征数据，都要事先存储在PROM中。这些特征数据是由生产线的计算机采集的，尔后送入存储器储存。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十五页，共243页。二、ST—3000智能变送器的性能特点三、ST—3000智能变送器的制作工艺流程3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十六页，共243页。

SFC的功能如下(1)组态。可以选择设置操作参数。这些参数包括变送器的标号、量程、输出形式、阻尼时间以及工程单位等。其中量程的设置通过设置上下限来完成。变送器的输出有线性输出和平方根输出两种形式。变送器有10种不同的压力工程单位(也可设计自己的工程单位编入SFC中)。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器四、SFC智能现场通信器功能介绍第一百九十七页，共243页。(2)诊断。可以对组态、通信、变送器或过程中出现的问题进行诊断。(3)校验。可以校验ST—3000变送器的输出或整定零点。(4)显示。可以显示变送器和SFC存储器中的有关信息，如当前输入、输出以及其他有关参数等。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十八页，共243页。(5)把变送器置于输出模式。通过SFC可令变送器输出一个4～20mA的电流信号，用此信号可以进行输出校准、故障处理以及回路校验。(6)远距离调节。只要连接好SFC，操作人员在控制室就可以读取变送器的数据、设定变送器的量程、处理故障、观察诊断结果。3.3.1美国霍尼韦尔ST-3000系列智能变送器第一百九十九页，共243页。一、系统设置

整个系统的电路结构框图如图所示。主要包括

①压阻式桥路压力传感器。四个压敏电阻为浓度为1017的硼掺杂电阻，位于硅应变膜(大小为1000mm2)的边缘。3.3.2具有微处理器的单片集成压力传感器第二百页，共243页。3.3.2具有微处理器的单片集成压力传感器

②传感器调理电路。其放大倍数可通过可变电阻RG调节，传感器的零点可通过可变电阻R0调节，而RG和R0均由MCU的程序控制调节。这样，通过调节R0和RG，可以把压力传感器的输出信号调理至A/D转换器的最佳转换范围内，保证其有效地工作。第二百零一页，共243页。3.3.2具有微处理器的单片集成压力传感器

③温度传感器。主要产生用于传感器输出校准的温度信号，它由四个N阱区NPN型晶体管级联而成。温度传感器要尽量靠近压敏电阻全桥，以准确感受工作环境温度的变化。第二百零二页，共243页。3.3.2具有微处理器的单片集成压力传感器④电源。带隙恒压供电电源为压力传感器、调理放大电路及A/D转换器提供恒压电源，而带隙恒流源则为温度传感器提供恒流电源。第二百零三页，共243页。3.3.2具有微处理器的单片集成压力传感器二、传感器制作工艺第二百零四页，共243页。3.3.2具有微处理器的单片集成压力传感器三、校准及补偿方法

1、校准及补偿的数学模型

传感器芯片中的微处理器MCU完成对传感器输出信号的校准，并补偿其非线性和温度漂移。因A/D转换器的分辨率为10位，计算中采用16位定点数格式，以避免计算本身造成的计算误差，同时又节约了计算时间。为实现对传感器的校准及补偿，MCU中的校准软件采用二阶多项式修正方法，即第二百零五页，共243页。式中，Uout——传感器校准后的输出；

UP——未补偿校准时传感器的输出。

由于传感器的输出存在温度漂移，故上式的Ci(i＝0,1,2)值与温度有